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Keramik für die Medizintechnik

Werkstoffe
Keramik: Materialien für spezielle Medizinprodukte

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Dr. Jörg Opitz leitet den Bereich Bio- und Nanotechnologie am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden (Bild: Fraunhofer IKTS)
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Neben Metallen und Kunststoffen besetzt Keramik in der Medizintechnik eher Nischen. Aber es gibt noch zahlreiche Möglichkeiten, wie man mit Keramik den Produkten neue Eigenschaften verleihen könnte. Wo sich das lohnt und welche Veränderungen das in der Fertigung erfordert, erläutert Dr. Jörg Opitz vom Fraunhofer IKTS.

Dr. Birgit Oppermann
birgit.oppermann@konradin.de

Herr Dr. Opitz, wie verbreitet ist Keramik in der Medizintechnik-Branche?

Etablierte Anwendungen mit technischer Keramik gibt es vor allem im Dentalbereich, aber auch für Endoprothesen und in Form von Beschichtungen bei chirurgischen Instrumenten. Insgesamt ist Keramik gegenüber Metallen und Kunststoffen aber noch recht wenig vertreten: Keramische Werkstoffe sind vor allem dort interessant, wo besondere Anforderungen erfüllt werden müssen. Denn nur dort lohnt sich der höhere Aufwand, der zweifellos erforderlich ist.

Welchen besonderen Anforderungen kann Keramik gerecht werden?

Keramische Werkstoffe punkten vor allem, wenn spezielle tribologische Eigenschaften gefordert sind, wenn langlebige Lösungen gebraucht werden oder Vorgaben für Dichte und Porosität weder mit Metallen noch mit Kunststoffen erfüllt werden können. Im Dentalbereich ist die optische Ähnlichkeit zum Zahn ein wichtiges Argument, ebenso die vergleichbare thermische Leitfähigkeit. Dass Keramik nicht elektrisch leitfähig ist, spielt bei Instrumenten eine Rolle, in denen Strom nur an bestimmten Stellen fließen soll. Dass Keramik chemisch inert ist, verbessert die Biokompatibilität. Und wir können heute die Oberflächen keramischer Bauteile vielfältiger gestalten und funktionalisieren als es bei Metall und Kunststoff möglich wäre.

Welche Medizinprodukte könnten mit Keramik neue Eigenschaften bekommen?

Ein Beispiel wäre ein Stent, der bei Herzerkrankungen das Wiederverschließen eines einmal aufgeweiteten Gefäßes, also eine Stenose, verhindern soll. Der Stent, der in komprimierter Form ins Gefäß gebracht und dort gedehnt wird, soll hämokompatibel sein. Das kann mit einer Keramik-Beschichtung erreicht werden. Wir arbeiten an einem solchen Projekt, und die Herausforderung ist, dass die Beschichtung und das metallische Grundmaterial die gleichen mechanischen Eigenschaften haben müssen, damit bei der Dehnung die Schicht haften bleibt. Ein weiterer Ansatzpunkt sind patientenspezifische Implantate für Fingergelenke. Spannend ist auch das Einbringen von Carrier-Molekülen auf keramischen Implantatoberflächen: Hier sollen Nanopartikel die Knochenbildung steuern. Und Fragen und Ideen zu neuen Projekten sind uns jederzeit willkommen.

Wie vielfältig ist das Angebot an Keramik-Werkstoffen für die Medizin?

Keramische Materialien sind ebenso vielfältig, wie man das von Metallen und Kunststoffen kennt. Je nach der Zusammensetzung ist die eine oder andere Eigenschaft stärker oder schwächer ausgeprägt. Die Vielfalt ist aber bei vielen Entwicklern noch nicht bekannt.

Was lässt sich bei aller Vielfalt für Keramik verallgemeinern?

(lacht) Worüber wir eigentlich bei jedem Projekt sprechen, ist die angebliche Schlagempfindlichkeit keramischer Werkstoffe. Technische Keramik ist allerdings viel bruchzäher als jedes Geschirr, sonst könnten wir keine Endoprothesen mit Keramik einsetzen. Aber ein wirklich wichtiger Punkt, der alle keramischen Materialien betrifft, ist die Verarbeitungsweise. Anders als bei Metallen und Kunststoffen gehen wir immer von einem Pulver aus, das mit einem Binder verarbeitet wird, der im Prozess wieder entfernt werden muss. Auch das zwingend erforderliche Sintern unter dem Einfluss hoher Temperaturen ist eine Besonderheit.

Was bedeutet das für den Einstieg in die Keramikverarbeitung?

Da Keramik immer die teurere Lösung sein wird, lohnt sich ihr Einsatz nur dort, wo man mit Metall oder Kunststoff nicht weiterkommt und Keramik zu einem Produkt mit echtem Mehrwert führt. Denn für die Fertigung ist der Schritt zur Keramik eine Entscheidung mit Folgen: Ein Unternehmen muss gegebenenfalls in Technik und die Ausbildung der Mitarbeiter investieren, um Pulver zu verarbeiten – was sich grundsätzlich von den Verfahren der Metall- und Kunststoffverarbeitung unterscheidet. Auch der Formgebungs– und der Ofenprozess sind oft neu. Und da sich Fehler in Keramikbauteilen nicht nur mit Löchern oder Rissen zeigen, muss die Qualitätssicherung von Anfang an mit gedacht werden: Farbveränderungen beispielsweise können auf den Eintrag von Fremdmaterial hinweisen, oder Abweichungen in der Porosität können das Gefüge verändern.

Wie wählt man das geeignete Keramik-Material für sein Projekt aus?

Im ersten Schritt trifft man eine Vorauswahl an Werkstoffen, die grundsätzlich für ein Produkt in Frage kommen. Im Folgenden spielen die beschriebenen Möglichkeiten der Verarbeitung eine wichtige Rolle und bestimmen mit, welches Material am Ende die besten Ergebnisse verspricht.

Enthält die Medical Device Regulation, die MDR ,besondere Anforderungen zu Keramik-Werkstoffen?

Auch für Keramik müssen Biokompatibilität und Toxizität untersucht werden. Für die Zukunft gehe ich davon aus, dass die Immunantwort des Körpers stärker berücksichtigt werden wird. An entsprechenden Testverfahren arbeiten wir bereits. Die MDR macht dazu allerdings keine Vorgaben.

Was leistet die additive Fertigung?

Der 3D-Druck ist auch für Keramik eine spannende Angelegenheit. Entbindern und Sintern müssen als zusätzliche Prozessschritte in den Drucker integriert werden. Aber es gibt schon technische Ansätze dafür, und Geräte sind bereits kommerziell verfügbar. Das größte Potenzial hat dieses Fertigungsverfahren natürlich für patientenindividuelle Lösungen

Was würden Sie gern für die Medizintechnik in Keramik umsetzen?

Was mir am meisten in den Fingern kribbelt, sind Projekte, die noch nie umgesetzt wurden. Mit Piezokeramik zum Beispiel kann man spannende Dinge tun, wie Kraft ausüben, um in der Biotechnologie gezielt Zellen von einer Oberfläche zu lösen. Und es wäre spannend, patientenindividuellen Knochenersatz aus Keramik herzustellen, bei dem sowohl Form als auch Materialmix auf die Einzelperson abgestimmt sind.


Kontakt zum Fraunhofer IKTS:

Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Dr. rer. nat. Jörg Opitz
Bio- und Nanotechnologie
Maria-Reiche-Straße 2
01109 Dresden, Germany
Tel. +49 (0)351 88815-516
www.ikts.fraunhofer.de

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